Molekülstrukturen detaillierter analysieren

NMR-Methoden zur Untersuchung paramagnetischer Komplexe

Chemikerinnen und Chemiker der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel haben mehrere NMR-Methoden entwickelt, die zusammen angewendet eine detaillierte Strukturanalyse für paramagnetische Moleküle in Lösungen möglich machen.

Juniorprofessorin Anna McConnell im Labor. Mit den Methoden des Kieler Teams können herkömmliche Spektrometer wie das am Otto-Diels-Institut für Organische Chemie so angepasst werden, dass sie auch paramagnetische Verbindungen untersuchen können. © Julia Siekmann, CAU

Um die Struktur von Molekülen wie zum Beispiel Proteinen zu untersuchen, kommen in Chemie und Strukturbiologie Methoden der NMR-Spektroskopie (NMR= nuclear magnetic resonance, Kernspinresonanz) zum Einsatz. Die Atomkerne von Molekülen wie Wasserstoff werden hierbei mit Hochfrequenz-Impulsen in Spektrometern mit starken Magnetfeldern angeregt. Über die erzeugten Spektren lassen sich Unterschiede in den Umgebungen der Kerne feststellen und so Rückschlüsse auf die Molekülstruktur ziehen.

Diamagnetische Moleküle lassen sich mit diesen Methoden bereits sehr gut analysieren. Da all ihre Elektronen paarweise vorkommen, erzeugen sie normalerweise klare Signale und eindeutige Spektren. Schwieriger zu untersuchen sind hingegen paramagnetische Verbindungen, die ungepaarte Elektronen besitzen – dazu gehören zum Beispiel auch einige MRT-Kontrastmittel. Sie werden von externen Magnetfeldern stark angezogen und stören so NMR-Messungen. Chemikerinnen und Chemikern der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) ist es nun gelungen, mehrere NMR-Methoden zu entwickeln, die zusammen angewendet eine detaillierte Strukturanalyse für paramagnetische Moleküle in Lösungen ermöglichen. In der Fachzeitschrift Angewandte Chemie zeigten sie kürzlich die umfassenden Anwendungsmöglichkeiten ihrer Methoden in verschiedenen Bereichen der Chemie und darüber hinaus.

Anzeige

Informationen zu Strukturen „molekularer Käfige“
„Um die Struktur von paramagnetischen Molekülen zu untersuchen, gab es bisher kaum geeignete NMR-Methoden. In der Regel gehen hierbei Informationen verloren, weil Signale dabei verbreitert werden und ihre Lage somit oft keine Rückschlüsse mehr auf die Struktur zulässt“, erklärt Juniorprofessorin Anna McConnell. Am Otto-Diels-Institut für Organische Chemie der CAU forscht sie an paramagnetischen Molekülen, die sich selbstständig zu größeren Komplexen zusammensetzen. Sie bilden einen Hohlraum, in den sie andere Moleküle aufnehmen können, und werden daher als „molekulare Käfige“ bezeichnet. Langfristig könnten diese anderen Moleküle medizinische Wirkstoffe sein, die an bestimmte Stellen im Körper transportiert und dort wieder „freigelassen“ werden. „Dafür benötigen wir aber zuerst noch mehr Informationen über die Strukturen und Eigenschaften dieser paramagnetischen Komplexe“, so McConnell weiter.

Gemeinsam mit einem Forschungsteam aus den Instituten für Organische und Anorganische Chemie der CAU hat McConnell jetzt verschiedene Methoden entwickelt, um NMR-Daten von paramagnetischen Verbindungen verlässlich zu gewinnen und auszuwerten. In Kombination miteinander angewendet, ergibt sich so ein umfassendes Bild der Molekülstrukturen. Zum Teil seien die Ergebnisse sogar besser als die vergleichbarer Verfahren für diamagnetische Moleküle, stellte das Team fest. „Die Datenerhebung für die paramagnetischen Verbindungen verlief deutlich schneller. Teilweise erhielten wir das gewünschte Ergebnis bereits durch ein einziges Experiment, während wir bei diamagnetischen Molekülen mehrere brauchten“, so McConnell.

Anleitung für andere Spektrometer
In aufwendigen Untersuchungen an den 500 MHz- und 600 MHz-Spektrometern des Otto-Diels-Instituts für Organische Chemie ermittelte das Team, wie sich Standard-NMR-Experimente für paramagnetische Molekülkomplexe anpassen lassen. Sie erstellten eine genaue Anleitung, um ihre Methoden auf andere paramagnetische Komplexe und Spektrometer zu übertragen. „Die Entwicklung dieser paramagnetischen NMR-Methoden ist ein wirklicher Durchbruch für die tägliche Forschungsarbeit und wir hoffen, dass sie anderen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern genauso helfen wie uns“, sagt Marc Lehr, Doktorand und Erstautor der Studie.

Das Forschungsteam hofft, so einen Beitrag zur Methodenentwicklung in verschiedenen Bereichen der Chemie und darüber hinaus leisten zu können. Denn wie sie in ihrer Studie zeigten, lassen sich auch komplexe Molekülverbindungen, übergeordnete Molekülstrukturen oder die Veränderung von magnetischen Spin-Zuständen mit ihren Methoden untersuchen. In einem nächsten Schritt wollen sie mit ihren Methoden noch größere paramagnetische Molekülkomplexe analysieren. „Zum Beispiel Molekülkäfige, deren Strukturen sich durch die Bestrahlung mit Licht verändern lassen. Mit solchen Käfigen könnten wir gebundene Moleküle in Zukunft wirklich gezielt freisetzen“, hofft McConnell.

Förderung
Die Studie wurde unterstützt von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen der Förderung der Projekte „Photoresponsive metallorganische Käfigverbindungen“ (Nr. 413396832), „Dual-Responsive Spin-Crossover Cages” (Nr 429518153) und des Sonderforschungsbereichs 677 „Funktion durch Schalten“ (2007-2019).

Originalpublikation:
A Paramagnetic NMR Spectroscopy Toolbox for the Characterisation of Paramagnetic/Spin‐Crossover Coordination Complexes and Metal‐Organic Cages. Marc Lehr, Tobias Paschelke, Eicke Trumpf, Anna-Marlene Vogt, Christian Näther, Frank Sönnichsen, Anna McConnell, Angew. Chem. Int. Ed. 10.1002/anie.202008439; https://doi.org/10.1002/anie.202008439

Quelle: Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

Anzeige

Das könnte Sie auch interessieren

Anzeige
Anzeige
Anzeige
Anzeige
Anzeige
Anzeige
Anzeige